Las empacadoras de cajas RA Jones personalizadas emplean a Beckhoff PC

La empacadora de cajas personalizadas CP-30 con robótica integrada garantiza un rendimiento ultrarrápido y reduce los tiempos de cambio en más del 80 % mediante la tecnología avanzada de control basada en PC y EtherCAT.

RA Jones de Covington, Kentucky, parte del Grupo Coesia de fabricantes de máquinas de envasado con sede en Bolonia, Italia, atiende a muchos de los CPG más grandes del mundo con máquinas de envasado primario y secundario. Mejor conocida por su amplia gama de equipos de envasado estándar para aerosoles, llenado de vasos, envasado en cubos, envasado múltiple, embolsado, envasado en cajas y encartonado, RA Jones ofrece maquinaria completamente personalizada cuando aún no existe la mejor máquina para el trabajo. Una tecnología que se considera que tiene una marea creciente, especialmente en este trabajo personalizado, es el control basado en PC.

"Con muchas de las líneas de máquinas emergentes de RA Jones, hemos estandarizado el control de PC y la automatización de Beckhoff", dice Bob Burkhardt, gerente de cartera de productos para Cartoning, Robotics & Pouching, RA Jones. "Esto incluye algunas de nuestras empacadoras de cajas, estuchadoras de carga vertical y estuchadoras de carga superior, pero también en soluciones para algunos de nuestros trabajos más desafiantes que requieren maquinaria personalizada".

Una de las máquinas más recientes que aborda directamente un desafío único del cliente es la empacadora de cajas personalizada CP-30. Este fue un proyecto especial para un gran fabricante multinacional de CPG de productos de café donde se contrató a RA Jones para desarrollar un nuevo diseño de máquina empacadora de cajas de alto rendimiento. La empresa matriz Coesia se asoció con RA Jones en el desarrollo, y Beckhoff suministró la tecnología de automatización. Con 12 máquinas ordenadas por CPG, el gran volumen de equipos personalizados para fabricar en un período de tiempo ajustado era una tarea difícil, pero también lo era el alto nivel de automatización requerido por el usuario final.

"Con los productos de café entrando tan rápido como 1200 por minuto, las máquinas tenían que funcionar continuamente, incluso en caso de atasco", dice Burkhardt. "RA Jones buscó una plataforma de control de la máquina que pudiera diagnosticar y corregir automáticamente la parada de la máquina sin ajustes manuales del operador. Esto elimina la carga de los trabajadores de detener la producción y retirar las cajas rechazadas en un entorno de producción acelerado". La máquina cuenta con un alimentador de cajas robot en el interior para mover los espacios en blanco corrugados planos al segmento de formación de cajas.

La máquina CP-30 resultante automatiza todos los aspectos del empaque de cajas, incluida la eliminación de atascos y los cambios de empaque a través de más de 70 servoejes controlados dinámicamente. Puede expulsar automáticamente las cajas que no se abren correctamente debajo del cargador sin detener el proceso de empaque.

El CP-30 cuenta con un robot alimentador de cajas en el interior para mover los espacios en blanco corrugados planos al segmento de formación de cajas. "Trabajamos con los ingenieros de aplicaciones de Beckhoff para crear un software de cinemática personalizado para este robot especializado", dice Burkhardt. "Si bien es similar a un SCARA, este robot está completamente personalizado para proporcionar un alto grado de rotación para el cabezal de selección mientras extrae los espacios en blanco del cargador". Si la caja no se abre, los sensores lo detectarán automáticamente y el cabezal de selección rechazará la caja. Posteriormente, el robot alimentador de cajas recogerá una nueva caja.

Si bien el manejo automatizado de rechazos es un beneficio clave para el usuario final, también lo es el alto rendimiento y la flexibilidad. "Con las cajas de 12 unidades para cajas más pequeñas, el CP-30 aumenta a 30 cajas por minuto", agrega Nick Werner, Custom Controls Group, RA Jones. "La empacadora de cajas CP-30 también construye de manera flexible numerosos patrones de cajas. Ya sea que se trate de cajas de cartón grandes o pequeñas, la misma CP-30 puede manejar casi cualquier combinación de recuentos de cajas".

Para una industria tan dedicada a los estándares como el embalaje, los fabricantes de máquinas que atienden el espacio han utilizado históricamente una gran cantidad de controles estilo caja negra de un solo propósito dedicados a un solo aspecto de la automatización. "La capacidad de consolidar hardware para diferentes áreas de control fue un beneficio clave para RA Jones", dice Paul Schuster, gerente de cartera de productos, Coesia Digital & Aerosol, RA Jones.

"La potencia de procesamiento que obtenemos del control basado en PC es impresionante", agrega Werner. "En términos prácticos, esto significa la diferencia entre implementar un controlador Beckhoff y tener que hacer malabares con múltiples controladores de un proveedor de PLC tradicional para manejar la automatización de la máquina".

El CP-30 cuenta con una PC industrial Beckhoff C6030 (IPC) con procesador Intel Core i7-7700 de cuatro núcleos que proporciona una amplia potencia para todas las funciones de computación intensivas en el empaque de cajas. RA Jones también está en proceso de implementar un servicio de monitoreo remoto de IoT llamado Coesia PerforMate en sus máquinas usando un IPC de Beckhoff.

"Una de las cosas más importantes que observamos con el IPC de Beckhoff fueron tiempos de exploración impresionantemente bajos: alrededor de 1 milisegundo de tiempo de exploración para más de 70 servoejes", dice Austin Rismiller, ingeniero de proyectos eléctricos, Investigación y Desarrollo/Innovación, RA Jones.

Otro habilitador de comunicaciones rápidas y tiempos de escaneo bajos es el protocolo EtherCAT Industrial Ethernet que conecta todas las unidades y E/S en el CP-30. "EtherCAT proporciona un nivel excepcional de velocidad en las comunicaciones de nuestra máquina", comparte Werner. "La facilidad de configuración al escanear automáticamente los dispositivos en la red fue de gran ayuda con el inicio, la puesta en marcha y la resolución de problemas. Esto y el diagnóstico EtherCAT integrado facilitaron la localización y corrección rápidas de cualquier error de cableado o rotura que pudiera haber ocurrido hasta el punto exacto de I terminal /O".

El sistema EtherCAT I/O también permite que RA Jones se conecte fácilmente a otras redes industriales, como IO-Link. Esto establece una conectividad directa con varios dispositivos inteligentes, incluido el lector RFID, una pila de luces programable y sensores fotoeléctricos inteligentes. El enfoque ayudó a eliminar el cableado de vuelta al gabinete de control principal mediante el uso de E/S EtherCAT distribuidas a lo largo de la máquina.

RA Jones también ofrece terminales de E/S EtherCAT de la serie EL72xx con tecnología de accionamiento integrada para controlar los servomotores ultracompactos de la serie AM8100. Los terminales EL9576 agregan funcionalidad de chopper de frenado en el mismo formato de E/S montado en riel DIN de 12 mm de ancho. "Beckhoff abordó directamente los tamaños pequeños de motor y accionamiento requeridos para CP-30, lo cual es un gran beneficio", dice Schuster. "Combinar los cables de alimentación y de retroalimentación en una sola línea usando One Cable Technology (OCT) se sumó a nuestros ahorros de espacio y cableado". El tamaño de la CP-30 es más pequeño que el de las empacadoras de cajas comparables y sus gabinetes eléctricos incluso se pliegan, por lo que la máquina completa se puede enviar en un camión semirremolque normal. Servomotores compactos de la serie AM8100 conectados a terminales de E/S EtherCAT de la serie EL72xx con tecnología de accionamiento integrada.

La seguridad de la máquina está integrada en la plataforma de control estándar y la red EtherCAT a través del sistema TwinSAFE. Los terminales de E/S TwinSAFE se conectan a puertas de protección y paros de emergencia en toda la máquina y los datos de seguridad se envían a través de Safety over EtherCAT (FSoE) utilizando un enfoque de canal negro certificado. Los servoaccionamientos de la aplicación también se comunican a través de FSoE para proporcionar una variedad de funciones de movimiento seguras. El CP-30 se divide en dos zonas de seguridad con lógica TwinSAFE dedicada en cada una. Una zona del lado de la estuchadora está en el lado del operador, donde el robot de alimentación de cajas recoge todas las cajas. Una zona lateral de transferencia es donde las cajas de cartón entran desde la entrada y van al apilador. Esto brinda la capacidad de detener la zona apropiada durante eventos de seguridad en lugar de detener toda la máquina.

En cuanto a la programación, TwinCAT 3 como entorno de ingeniería y tiempo de ejecución para el control de máquinas también demostró importantes ventajas. La plataforma universal TwinCAT maneja todos los aspectos del control de la máquina, incluidos PLC, seguridad, control de movimiento y más. "Soy fanático de cómo se presenta TwinCAT XAE en un shell estándar de Microsoft Visual Studio", dice Rismiller. "Eso es refrescante en comparación con las ofertas de software de los proveedores de PLC tradicionales. TwinCAT 3 integra todos los estándares informáticos en la programación, como C++ y Python, que se integran en mi conocimiento de programación de la universidad. Ofrezco estas opciones además de los estándares de programación de PLC, como texto estructurado, es un beneficio clave".

Como parte del proyecto, RA Jones utilizó la Biblioteca de marco de automatización de Coesia (AFL) existente en TwinCAT. "TwinCAT ofrece la capacidad de proteger el software y los bloques de funciones de Coesia y RA Jones como propiedad intelectual", dice Werner. "Aún mejor, los usuarios finales nunca tienen que preocuparse por el código del PLC para la resolución de problemas y el mantenimiento, ya que estas interacciones se manejan a través de la HMI. Un panel de control CP3918 en formato de pantalla ancha de 18 pulgadas con varios botones de presión ayuda en este enfoque fácil de usar. seleccionamos para las funciones de control de la máquina, todo diseñado directamente en el panel".

El cronograma para el diseño eléctrico crítico y la instalación de las máquinas CP-30 se comprimió en un riguroso período de seis meses para cumplir con el cronograma de actualización de la planta del usuario final. Esto requirió un trabajo en equipo cercano y constante entre los ingenieros de RA Jones y Beckhoff para cumplir con una ventana de entrega ajustada. "Beckhoff y RA Jones se involucraron en este proyecto estratégico global que tenía la dirección de su empresa matriz, Coesia", dijo Mark Ruberg, gerente de la industria de empaques de Beckhoff USA. "Nuestra colaboración efectiva y los recursos de apoyo local estuvieron a la altura del desafío de estos hitos de desarrollo".

A lo largo del diseño y la construcción de esta máquina personalizada, el equipo local de Beckhoff trabajó codo con codo con RA Jones. "Ha sido fantástico trabajar con Garth Gaddy y Keith Bunke del equipo local de Beckhoff", dijo Werner. "Keith era nuestro punto de contacto para la ingeniería de aplicaciones; trabajamos tan de cerca que lo tenía en marcación rápida".

También notable, la flexibilidad del CP-30 se ve impulsada por la solución Acc-U-Change Plus de RA Jones que permite a los usuarios manejar los cambios con solo presionar un botón, lo que garantiza una puesta en marcha vertical y una alta calidad de caja durante la producción. Los componentes extraíbles de Acc-U-Change Plus están habilitados para RFID, por lo que los usuarios finales pueden verificar que el equipo correcto esté instalado en el lugar correcto para todos los tamaños y patrones de cajas. "Mientras que los tiempos de cambio a una caja de diferente tamaño a menudo toman de 20 a 30 minutos en otras empacadoras de cajas, hemos podido llevar el tiempo de cambio a alrededor de cinco minutos o incluso menos en la CP-30", dice Werner. "Usando la automatización de Beckhoff, hemos eliminado 19 movimientos manuales de la ecuación: con un toque en la HMI y el cambio automatizado puede pasar del tamaño más grande al más pequeño y viceversa".

Después de estas experiencias, RA Jones tiene al menos dos nuevos proyectos de máquinas en desarrollo que tendrán a Beckhoff como la plataforma de control de máquinas estándar para aumentar de manera similar el rendimiento, reducir el espacio ocupado por las máquinas y acortar los tiempos de cambio. Junto con la máquina empacadora de cajas personalizadas, RA Jones ha estandarizado la tecnología de control de Beckhoff para una nueva máquina empacadora de chubs para tubos de carne molida de ave y cerdo. "RA Jones también presenta una nueva estuchadora de carga vertical y contará con Beckhoff como su plataforma de controles estándar", agrega Burkhardt. VP